持續(xù)而穩(wěn)定的氧氣供給是植物組織維持其正常代謝的必要條件。植物根系在生長發(fā)育過程中需要消耗充足的氧氣來進(jìn)行呼吸作用，從而促進(jìn)植株對土壤中養(yǎng)分和水分的吸收。降水、排水不利、土壤板結(jié)、城市道路硬化等易造成土壤氧氣不足，抑制植物根系的有氧呼吸，影響植物正常生長發(fā)育。當(dāng)土壤中氧氣的含量小于9%～10%，根系發(fā)育就會受到抑制，氧氣含量低至5%以下時(shí)，絕大多數(shù)植物根系停止生長發(fā)育。因此，植物根際氧環(huán)境中的氧氣含量是影響植物根系進(jìn)行正常生長代謝的主導(dǎo)因子。植物要維系正常生理生化功能，必須有足量的氧氣供應(yīng)。根系吸收水分和養(yǎng)分所消耗的能量主要靠根系有氧呼吸供給。氧氣充足時(shí)，根系進(jìn)行充分的有氧呼吸，反之則進(jìn)行無氧呼吸，物質(zhì)代謝的能量釋放減少，同時(shí)生成的多種有害物質(zhì)會威脅植物生存。缺氧時(shí)土壤微生物也會進(jìn)行無氧呼吸，將土壤氮素還原成N2、NO和N2O造成氮素流失，釋放對植物有毒的還原性氣體。

根區(qū)土壤氧氣檢測對農(nóng)林生產(chǎn)和生態(tài)保護(hù)具有指導(dǎo)意義。自然土壤栽培條件下，農(nóng)林作物根系常因供氧不夠，導(dǎo)致低氧脅迫。檢測作物根區(qū)氧氣分布，對缺氧作物進(jìn)行增氧灌溉，改善根際氧環(huán)境，可促進(jìn)作物生長和根系對土壤養(yǎng)分的吸收能力，提高作物產(chǎn)量及改善作物品質(zhì)。城市道路硬化和人為活動(dòng)引起的土壤板結(jié)影響土壤的氣體交換、根系活動(dòng)和正常生長。通過根區(qū)土壤氧氣檢測，可有針對性地對受低氧脅迫的古樹名木采取松土或鋪設(shè)樹穴磚等保護(hù)措施，促進(jìn)古樹名木復(fù)壯。人工濕地是由人工優(yōu)化模擬自然濕地系統(tǒng)而建造的具有生態(tài)系統(tǒng)綜合降解功能，且可人為監(jiān)督控制的處理系統(tǒng)。其氧氣條件特別是植物根區(qū)氧氣狀況是影響人工濕地凈化效率和設(shè)計(jì)的重要因素。獲取人工濕地氧氣分布信息，可為人工濕地技術(shù)改進(jìn)提供理論參考。

前人就植物根系的生理特性開展了綜述研究，但尚未有從土壤氧環(huán)境角度進(jìn)行綜述植物根區(qū)氧環(huán)境測定的方法現(xiàn)狀以及適用范圍。本文以根區(qū)氧氣分布為研究對象，總結(jié)根區(qū)土壤氧氣檢測與分析的3種基本方法：傳感器點(diǎn)位檢測法、土壤氧擴(kuò)散模型法和熒光成像法的研究進(jìn)展及不足，并分析其發(fā)展趨勢，以期為開展植物根區(qū)土壤氧氣檢測技術(shù)與方法研究提供參考。

1.傳感器點(diǎn)位檢測法

氧傳感器按照工作原理主要分為氧化鋯式氧傳感器、電化學(xué)氧傳感器和光纖式氧傳感器。

1.1氧化鋯氧傳感器

氧化鋯氧傳感器是一種固態(tài)氧傳感器，工作時(shí)利用高溫加熱氧化鋯使其產(chǎn)生離子導(dǎo)電現(xiàn)象來測量氧氣濃度。ISHII等開發(fā)出一種防水氧化鋯氧傳感器，在傳感器表面覆蓋一層防水材料以保護(hù)傳感器不受土壤水分的影響，并將該傳感器用在土壤氧濃度檢測中。試驗(yàn)觀察了該傳感器在柑橘模擬澇災(zāi)處理后土壤中的氧氣變化，該傳感器能夠在浸水土壤中，保持高度的耐水性和穩(wěn)定性，準(zhǔn)確地測量柑橘土壤中的氧氣濃度，并且連續(xù)工作時(shí)間長達(dá)48 h。

1.2電化學(xué)氧傳感器

電化學(xué)氧傳感器是通過電極的氧化還原反應(yīng)來解調(diào)出氧氣的濃度值，一般由參考電極和工作電極組成。參考電極通常由銀或銀氯化物構(gòu)成，而工作電極通常由鉑構(gòu)成。當(dāng)氧氣接觸到工作電極表面時(shí)，氧分子會發(fā)生還原反應(yīng)并釋放出電子，這些電子會流向參考電極。通過測量參考電極和工作電極之間的電勢差，可以確定氧氣濃度。LEMON等設(shè)計(jì)出一種鉑微電極，利用鉑電極表面電解氧時(shí)獲得的電流計(jì)算氧的擴(kuò)散速率，并將該電極用于測量土壤中氧氣的擴(kuò)散速率，對不同類型土壤中氧氣的擴(kuò)散速率進(jìn)行比較，結(jié)果表明，土壤中氧氣擴(kuò)散速率跟土壤類型有關(guān)，土壤孔隙度越大，氧氣擴(kuò)散速率越高。LETEY等發(fā)現(xiàn)土壤中氧氣擴(kuò)散速率不僅和土壤孔隙度有關(guān)，還和溫度、土壤含水量有關(guān)。他們利用鉑微電極測量土壤中氧氣擴(kuò)散速率，并對影響氧氣擴(kuò)散速率的因素進(jìn)行了分析，其中土壤含水量和土壤孔隙度是影響氧氣擴(kuò)散速率的重要因素，水分占據(jù)了土壤孔隙的一部分，水分的增加會減少土壤孔隙的數(shù)量和大小，從而降低氧氣擴(kuò)散速率。1953年CLARK等研制出薄膜氧電極（又稱CLARK電極），電極由鑲嵌在絕緣材料上的銀極和鉑極構(gòu)成，電極和薄膜之間充以氯化鉀溶液作為電解質(zhì)。該電極在氧氣檢測研究上得到了廣泛應(yīng)用。目前常見的CLARK微型氧電極結(jié)構(gòu)如圖1所示，將鉑絲尖端鍍金作為工作電極（陰極），將銀電極作為輔助電極（陽極），在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，在銀極發(fā)生還原反應(yīng)。陽極和陰極的化學(xué)反應(yīng)方程式分別如下：

圖1 CLARK微型氧電極

在氧電極間施加電壓且該電壓超過氧氣的分解電壓時(shí)，透過薄膜進(jìn)入氯化鉀溶液的溶解氧在陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，陽極上發(fā)生銀的氧化反應(yīng)，此時(shí)電極間產(chǎn)生電解電流，又被叫做擴(kuò)散電流，電流大小受氧的擴(kuò)散速度的限制。當(dāng)外加的極化電壓達(dá)到一定值時(shí)，陰極表面氧氣濃度趨近于0，于是擴(kuò)散電流的大小完全取決于被測溶液中的氧的濃度，即緊靠薄膜外側(cè)的氧氣濃度。

GREENWOOD等將CLARK電極應(yīng)用于測量土壤氧氣濃度，該傳感器包括1個(gè)銀質(zhì)陽極、在底部呈環(huán)形的金質(zhì)陰極和1個(gè)薄的半透過性膜，僅允許氣體進(jìn)入。傳感器的底部會充滿電解液以提高濕潤效果。在電極上施加極化電壓，氧氣會穿透膜在陰極上發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生電流，在溫度不變的情況下電流和氧濃度之間呈線性關(guān)系。該方法實(shí)現(xiàn)了土壤中氧氣濃度的檢測，并能夠找出直徑為10 mm的土壤團(tuán)聚體中的厭氧中心。但所用電極太大，會對土壤環(huán)境造成干擾。CLARK氧電極中的氧敏感膜在允許氧氣通過的同時(shí)對一些離子也是可滲透的，在自然環(huán)境測量時(shí)，其他離子的滲透對這類氧電極的信號會產(chǎn)生干擾。

REVSBECH等改進(jìn)CLARK氧電極，解決了上述電極氧敏感膜的問題。他們將CLARK電極修改為微電極尺寸，通過硅膠膜與環(huán)境隔離，保證測量過程中氧微電極信號的穩(wěn)定。這種氧微電極使用一個(gè)固定的參比電極，而不是在電解質(zhì)溶液中加入?yún)⒈入姌O，使得氧微電極對介質(zhì)化學(xué)成分不敏感，可以在酸性、高鹽度等極端環(huán)境下使用。SEXSTONE等利用改進(jìn)的氧微電極測量土壤剖面中的氧氣濃度，發(fā)現(xiàn)厭氧菌在缺氧土壤碎屑中才會發(fā)生反硝化作用。反硝化是一種重要的土壤微生物過程，將硝酸鹽還原為氣體態(tài)的氮?dú)猓瑥亩鴱耐寥乐嗅尫诺獨(dú)狻?

研究結(jié)果顯示，土壤聚合體中的氧氣剖面呈現(xiàn)明顯梯度，從表面到深處逐漸減少。這表明土壤聚合體中的氧氣擴(kuò)散受限，深層土壤聚合體中的氧氣供應(yīng)較為有限。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，在含氧量較低的深層土壤聚合體中，反硝化速率較高。該研究所用氧電極尖端直徑約為3μm，消耗極少氧氣，可以忽略不計(jì)。隨著研究的深入，更多學(xué)者將氧傳感器與其他傳感器相結(jié)合，用于分析根區(qū)土壤氧環(huán)境。

TOPP等使用陰極型氧微電極測量玉米地中不同深度的土壤氧濃度，同時(shí)利用TDR設(shè)備測量土壤含水率。結(jié)果表明，氧氣含量隨土壤深度的增加而急劇下降。土壤氧氣含量和土壤含水率密切相關(guān)，土壤含水率越低，氧氣含量越高。降雨期后，隨著土壤含水率的升高，土壤的氧氣含量顯著降低。通過將氧氣含量和土壤含水率相結(jié)合，為早期植物根系生長分析提供了一些見解。隨著微電極陣列的發(fā)展，氧傳感器的體積減小，響應(yīng)速度更快，靈敏度更高，對根區(qū)土壤氧環(huán)境的影響也減少，并可適用于多點(diǎn)檢測。

KIM等開發(fā)出一種微傳感器系統(tǒng)，與多孔管植物養(yǎng)分輸送系統(tǒng)相結(jié)合，將柔性微電極陣列包裹在多孔管周圍，可以實(shí)時(shí)、高精度地監(jiān)測土壤氧氣濃度、水分和溫度等參數(shù)，為植物根區(qū)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測提供了一種可靠的方法。

1.3光纖氧傳感器

圖2熒光猝滅原理和光纖氧傳感器結(jié)構(gòu)

光纖氧傳感器檢測氧氣濃度基于光致發(fā)光和熒光猝滅機(jī)理，如圖2a所示。將特定的熒光物質(zhì)制成氧敏感膜，通過特定波段的激發(fā)光激發(fā)氧敏感膜上的熒光物質(zhì)分子。激發(fā)后的熒光物質(zhì)分子因不穩(wěn)定而產(chǎn)生熒光，而氧氣分子能夠與熒光物質(zhì)分子發(fā)生熒光猝滅反應(yīng)抑制熒光的產(chǎn)生，即產(chǎn)生的熒光與環(huán)境中的氧氣濃度相關(guān)。熒光沿光纖傳回，并透過圓球透鏡，經(jīng)分光片反射和濾光片濾光后，進(jìn)入硅光電池，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。光纖氧傳感器結(jié)構(gòu)如圖2b所示。氧氣濃度對產(chǎn)生熒光的影響主要表現(xiàn)在熒光光強(qiáng)和熒光壽命兩個(gè)方面，二者與氧氣濃度的關(guān)系符合Stern-Volmer方程：

式中[Q]為氧氣濃度，%；KST為Stern-Volmer常數(shù)，I0為氧氣濃度為初始時(shí)的熒光強(qiáng)度，AU；I為氧氣濃度為[Q]時(shí)的熒光強(qiáng)度，A.U.；

為氧氣濃度為初始時(shí)的熒光壽命，s；

為氧氣濃度為[Q]時(shí)的熒光壽命，s。因此，光纖氧傳感器可以通過檢測熒光光強(qiáng)或熒光壽命檢測環(huán)境中的氧氣濃度。依據(jù)熒光淬滅產(chǎn)生了2種對應(yīng)的傳感檢測機(jī)理：當(dāng)環(huán)境中氧氣濃度升高，產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度或壽命會隨熒光猝滅的加強(qiáng)而減弱。通過測量產(chǎn)生熒光強(qiáng)度在相互作用中的衰減量和測量熒光壽命在相互作用中的縮短變化量即可得到氧氣濃度。

STEPHAN等將光纖氧探頭與pH傳感器埋設(shè)在7種不同的植物根部表面，用以研究淹沒土壤（尤其是根部表面）的缺氧條件。在試驗(yàn)過程中，根表面的氧氣濃度波動(dòng)很大，并且不同種植物根表面的氧氣濃度具有相同的變化趨勢。其中根尖氧濃度較高，而根的基部保持在低氧至缺氧條件下。研究發(fā)現(xiàn)在植物生長季節(jié)后期，土壤含水量過高，土壤氧濃度降低對植物生長的影響會大大降低，因?yàn)楦荡蟛糠謪^(qū)域已經(jīng)形成徑向氧損失屏障。該屏障位于皮層細(xì)胞最外側(cè)，能有效限制氧由通氣組織向根際的徑向擴(kuò)散，有利于氧氣向根尖的運(yùn)輸，從而促進(jìn)根在厭氧環(huán)境中的伸長生長。

BORISOV等設(shè)計(jì)了一個(gè)四重復(fù)合傳感器，可同時(shí)檢測O2、CO2、pH和溫度。該傳感器利用光學(xué)傳感器的多路復(fù)用特點(diǎn)，通過光攜帶的各種信息，能夠同時(shí)監(jiān)測根區(qū)土壤的多個(gè)參數(shù)，為研究根區(qū)氧濃度分布的影響因素提供了可靠的思路。FISCHER等設(shè)計(jì)了一種多光纖氧傳感器，通過將多個(gè)光纖氧傳感器集成到同一平臺上，同時(shí)對多個(gè)位置氧濃度進(jìn)行測量，可用于土壤、水體和生物組織等多個(gè)領(lǐng)域的氧氣濃度檢測。具有高精度、高靈敏度、無需校準(zhǔn)以及易于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量等優(yōu)點(diǎn)

。KOHFAHL等在多尼亞納國家公園的濕地土壤中安裝光纖氧傳感器，并通過壓力計(jì)和溫度探頭對檢測結(jié)果進(jìn)行校正，獲取土壤中氧氣含量的每日變化，以及環(huán)境參數(shù)對檢測結(jié)果的影響表明土壤中的氧氣濃度主要受土壤沉積物和地下水影響，且氧氣濃度和土壤溫度呈負(fù)相關(guān)。SMYTH等在俄亥俄州的濕地中土壤中安裝了23個(gè)光纖氧傳感器組成土壤監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并利用土壤傳感器數(shù)據(jù)預(yù)測土壤溫室氣體排放。

表1歸納對比了典型土壤氧傳感器的類型和適用范圍。氧化鋯氧傳感器具有較高的測量精度，響應(yīng)速度較快，能夠迅速反映氧氣濃度的變化，但使用時(shí)必須加熱，而高溫會影響土壤氧環(huán)境，對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，因此在土壤氧氣檢測領(lǐng)域應(yīng)用較少。電化學(xué)氧傳感器原理簡單、精度高，但檢測過程中存在消耗氧氣和電極材料等問題，無法長期原位監(jiān)測，檢測結(jié)果不穩(wěn)定、重復(fù)性較差的問題，這與傳感器的腔室、電極和透氧膜的制作有關(guān)。光纖氧傳感器不需要消耗氧分子，也無需對樣品進(jìn)行任何處理，可實(shí)現(xiàn)長期原位監(jiān)測，在氧氣檢測領(lǐng)域具有很好的發(fā)展趨勢。但需要精密的光學(xué)儀器，且氧傳感膜的制作工藝?yán)щy，成本較高。

表1典型土壤氧傳感器